Bitcoin Teil 2 – Bitcoin-Schürfen oder Mining

Dies ist Teil 2 meiner Blog-Serie über Kryptogeld. Den ersten, einführenden Teil finden Sie hier.

Kurze Wiederholung – Bitcoin = direkte elektronische Transaktionen ohne Mittelsperson

Im ersten Teil habe ich die Hauptidee hinter dem Bitcoin-Protokoll erläutert, das elektronische Peer-to-Peer-Transaktionen ohne eine Mittelsperson ermöglicht. Kurz zusammengefasst funktioniert das Verfahren folgendermaßen:

1. Ich besitze eine bestimmte Summe Bitcoin. Dies kann öffentlich überprüft werden, da jede Bitcoin-Transaktion seit der allerersten (dem sogenannten Genesis Block) in ein öffentliches Kassenbuch eingetragen wird, der Blockchain (vormals auch Blockkette genannt). Deshalb kann ich nicht vorgeben, mehr zu besitzen, als ich habe.
2. Ich kann dann eine bestimmte Bitcoin-Summe an einen Empfänger senden, und ich kann dabei nicht schummeln, da die Transaktion öffentlich an alle Knoten im Netzwerk übermittelt wird.
3. Ich könnte natürlich gleichzeitig mehr Bitcoins versenden, als ich besitze, aber das Netzwerk entscheidet durch eine öffentliche Abstimmung (wobei tatsächlich ein kompliziertes mathematisches Problem gelöst wird), dem sogenannten Mining oder Schürfen, welche Transaktionen gültig sind und welche nicht.
4. Die Transaktionen, die als gültig gewählt wurden, werden in die Blockchain eingetragen und sind endgültig. Und wenn mein nachweisliches Bitcoin-Guthaben erschöpft ist, kann ich nicht mehr ausgeben, als ich besitze, da jeder und jede das in der Blockchain nachprüfen kann.

Die zwei Schlüsselelemente im Bitcoin-Prozess sind das öffentliche Kassenbuch, die Blockchain und das Abstimmverfahren, das Schürfen (Mining), das im Wesentlichen daraus besteht, dass die Knoten des Bitcoin-Netzwerks ein komplexes mathematisches Problem lösen. Die Blockchain wird das Thema des nächsten Blogbeitrags sein, im Folgenden werde ich das Konzept des Minings erklären.

Kohle-Schürfen, aber nicht im Bergwerk

Die wesentliche Aufgabe des Mining-Algorithmus ist sicherzustellen, dass die „Abstimmung“ bzw. Bestätigung so erfolgt, dass niemand, der schlechte Absichten hegt, den Prozess zu seinen Gunsten beeinflussen kann. Und dies ist genau das, was das Mining-Verfahren zuwege bringt.

Herkömmliche Form des Kohleschürfens (Bildspende der Firma Gebr. Eickhoff Maschinenfabrik und Eisengießerei, Bochum.)

Mining ist der Prozess, durch den ein Satz neuer Transaktionen bestätigt und somit endgültig abgeschlossen wird, indem ein Datensatz mit diesen Transaktionen an das öffentliche Kassenbuch, die Blockchain angehängt wird. Durch Mining werden auch neue Bitcoins „geprägt“, daher auch die Bezeichnung „Schürfen“. Die Erzeugung neuer Bitcoins und die Bestätigung eines Satzes mit Transaktionen erfolgt stückweise, in sogenannten „Blocks“, die an die Blockchain angehängt werden. Der Bitcoin-Algorithmus ist so ausgelegt, dass neue Blocks ca. alle 10 Minuten „entdeckt“ werden.

Das Verfahren läuft ungefähr folgendermaßen ab:

1. Das Bitcoin-Netzwerk besteht aus vielen aktiven Knoten, auf denen der Bitcoin-Client ausgeführt wird. Wenn ein Block entdeckt wird, wird er an die Blockchain angehängt, und Informationen über den neuen Block werden in Sekundenbruchteilen an das gesamte Netzwerk versandt. Dieser neue Block enthält auch eine neue mathematische Aufgabe, die zu lösen ist, um den nächsten Block zu entdecken.
2. Neue, nicht bestätigte Transaktionen, d. h. eigentlich Transaktionsvorschläge werden von den Personen, die diese tätigen wollen, ins Netzwerk gesandt, zusammen mit einer Transaktionsgebühr. Da die Computerübertragung zwar schnell, aber nicht unendlich schnell erfolgt, erhalten nicht alle Knoten die Informationen über alle Transaktionsvorschläge in der gleichen Reihenfolge. Deshalb empfängt also nicht jeder Knoten die gleiche Liste mit Transaktionsvorschlägen.
3. In der Zwischenzeit berechnen nun alle aktiven Knoten im Netzwerk Lösungsvorschläge für das mathematische Problem aus Schritt 1, wobei nicht alle Knoten das gleiche Problem berechnen, da hierbei Zufallsgeneratoren zum Einsatz kommen. Ich werde die mathematischen Details in einem weiteren Beitrag dieser Serie erläutern.
4. Nach durchschnittlich 10 Minuten entdeckt einer der Knoten die Lösung zum mathematischen Problem aus Schritt 1 und übermittelt die Lösung zusammen mit seiner lokalen Kopie der neuen Transaktionsliste an das gesamte Netzwerk.
5. Der Rest der Knoten prüft die Lösung und diese spezifische Liste mit Transaktionsvorschlägen und bestätigen so die Transaktionen, die dieser bestimmte Knoten erhalten hat.
6. Nach 100 Bestätigungen, dass alles mit rechten Dingen zugeht, kassiert der glückliche (oder leistungsstarke) Knoten, der die Lösung gefunden hat, die Transaktionsgebühren aus Schritt 2 und eine bestimmte Anzahl an neu „geprägten“ Bitcoins (BTC). Auf diese Weise wird die Öffentlichkeit bzw. werden die Knoten angespornt, sich aktiv am Netzwerk zu beteiligen und die Transaktionen anderer Leute zu überprüfen.
7. Der Zyklus beginnt wieder bei Schritt 1.

Bitcoin-Mining

Warum müssen die Knoten ein mathematisches Problem lösen?

Natürlich lässt die kurze Erklärung oben viele Fragen offen, unter anderem die in der Überschrift dieses Abschnitts genannte. Das Mathematikproblem dient dazu, eine gewisse (jedoch gut durchdachte) Zufälligkeit in das Verfahren einzubringen, damit niemand vorhersehen kann, welcher Knoten den nächsten Block findet. Dadurch wird es viel schwerer, das System auszutricksen. Dieses Verfahren wird als Proof-of-Work (Ausführungsnachweis) bezeichnet. Eine Schwachstelle bleibt jedoch, die sogenannte 51-Prozent-Attacke, siehe unten.

Warum ist der Algorithmus so ausgelegt, dass neue Blöcke durchschnittlich alle 10 Minuten gefunden werden, warum nicht schneller? Wenn der Prozess wesentlich schneller vor sich ginge, wäre das Problem einer möglichen Verzweigung der Blockchain viel schwerwiegender. Es geschieht auch mit dem oben beschriebenen Algorithmus, dass zwei oder mehr Knoten gleichzeitig einen neuen Block entdecken, was quasi zu zwei oder mehr unabhängigen Kopien des öffentlichen Kassenbuchs führt. Diese Verzweigungen werden jedoch normalerweise in der derzeitigen Ausführung des Bitcoin-Protokolls rechtzeitig entdeckt, bevor sich eine ganz neue Blockchain nach der Verzweigung formieren kann. Die einzelnen Blocks nach einer solchen Verzweigung, diese verwaisten Blocks werden in Übereinstimmung mit den Knoten des Netzes aus der Blockchain entfernt.

Eine weitere Frage, die sich zwangsläufig stellt, lautet: Wenn mit jedem neuen Block neue Bitcoins geprägt werden, führt dies nicht automatisch zu Inflation? Nein, denn die Anzahl der neuen Bitcoins pro Block wird alle 210,000 Blocks halbiert. Derzeit (Juni 2015) werden mit jedem Block 25 neue BTC in die Welt gesetzt. Im Jahr 2017 wird diese Zahl auf 12,5 BTC pro Block halbiert. Die Anzahl der derzeit im Umlauf befindlichen BTC ist in der folgenden Grafik zu sehen. In ferner Zukunft wird die Anzahl der neuen BTC auf 0 gesetzt und die maximale Gesamtanzahl der je erzeugten BTC auf 21 Millionen begrenzt. Dies geschieht jedoch erst im Jahr 2140. Dann werden die Schürfer nur mit den Transaktionsgebühren für ihre Mühe belohnt werden. Weitere Informationen hierzu finden Sie auf dieser Seite.

Anzahl der im Umlauf befindlichen BTC (Datenquelle: Blockchain.info)

Und schlussendlich stellt sich auch die Frage: Könnte nicht jemand so viel Computerleistung zusammenschließen, um alle anderen Knoten im System zu überwältigen, und dadurch beliebige Transaktionen tätigen und so unendlich reich werden? Dies ist die oben erwähnte 51-Prozent-Attacke, das Bitcoin-Pendant zum Geldfälschen. Um die Kontrolle über das Bitcoin-Netzwerk zu gewinnen, braucht man mindestens 51 % der Computerleistung des Netzwerks. Dies ist jedoch unwahrscheinlich und wird auch immer unwahrscheinlicher, da in den letzten Jahren BTC-Mining-Serverfarmen aufgrund der spekulativen BTC-Kurswert buchstäblich wie die Pilze aus dem Boden geschossen sind. Vor nicht allzu langer Zeit lag der Wert eines BTC bei 1000 US-Dollar (siehe Grafik unten). Damals war es wirtschaftlich sinnvoll, viel Geld in Serverfarmen wie die unten abgebildete zu investieren. Die algorithmische Schwierigkeit des zu lösenden mathematischen Problems wird jedoch automatisch so angepasst, dass durchschnittlich nur alle 10 Minuten eine Lösung gefunden wird, egal wie groß die Computerleistung ist, die zur Lösung des Problems aufgewendet wird. Deshalb ist der Schwierigkeitsgrad exponentiell angewachsen, wie in der letzten Grafik unten gezeigt. Aus diesem Grund ist eine 51-Prozent-Attacke unwahrscheinlich, es sei denn, viele Miner vereinen ihre Ressourcen in einem sogenannten Mining-Pool. Die meisten Miner schürfen heute in Mining-Pools, da es aufgrund des aktuellen Schwierigkeitsgrads und der somit erforderlichen Computerleistung fast unmöglich ist, alleine einen Block zu finden.

BTC-Marktkapitalisierung in USD (Datenquelle: Blockchain.info)

BTC-Mining-Schwierigkeitsgrad (Datenquelle: Blockchain.info)

Somit sind wir am Ende des 2. Beitrags der Bitcoin-Blogreihe angelangt. In Teil 3 werde ich das öffentliche Kassenbuch, die Blockchain, und dessen Inhalt näher erläutern.

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